Будущее генной инженерии определит фантазия ученых

Николай Вяххи, ученый-биоинформатик, сотрудник лаборатории алгоритмической биологии СПбАУ РАН

Еще не так давно российский ученый мог расшифровать геном человека в общем-то одним способом: положить биоматериал в карман и поехать за границу – в Китай, США или Европу. Это если не мучиться. Правда, по нашему законодательству вывозить биоматериал без разрешения незаконно, но ДНК можно считать химическим материалом, потому что это обработанная молекула и ее уже не считают набором клеток.

Но в последнее время и в России начали появляться специальные центры – к примеру, наша лаборатория алгоритмической биологии, созданная два года назад на базе Санкт-Петербургского академического университета (СПбАУ) РАН. Университет выиграл мегагрант правительства на пять миллионов долларов, который позволяет приглашать ведущих ученых из-за рубежа. Они проводят у нас четыре месяца в году и, по сути, ведут исследования в той области, которую считают важной и актуальной в мировом контексте. СПбАУ РАН пригласил профессора Павла Певзнера из Университета Калифорнии в Сан-Диего.

Удалось найти много умных ребят, в основном математиков и информатиков, которые ничего не знали про биологию, но умели придумывать и реализовывать алгоритмы, анализировать данные. По ходу они освоили необходимую биологическую часть, научились работать с геномными данными, разбираться в огромных последовательностях… В итоге биологи проводят экспериментальные исследования, а лаборатория занимается вычислительной частью проекта.

Мы создаем алгоритмы, связанные со сборкой генома из маленьких фрагментов и с разрешением повторов. Более половины человеческого генома – повторяющиеся куски, то есть полтора миллиарда букв ничего не значат, и из-за того, что они повторяются, куски очень сложно восстановить, а геном сложно собрать. Чтобы прочитать геном, нужны миллионы клеток одного вида, потому что фрагменты вырезаются из ДНК и они должны быть перекрывающимися для дальнейшей сборки. Но это невозможно для геномов, которые не живут в колониях: например, бактерии в желудке человека, где невозможно поймать сразу несколько одинаковых бактерий. Или в Марианской впадине – невозможно прочитать геном живущих там бактерий обычными способами: они не размножаются в лаборатории, потому что любят только свою экосистему и экстремальные условия.

Шесть лет назад был создан способ искусственной амплификации генома всего из одной клетки. Но получающиеся после этого данные очень сложны в обработке. Мы создаем компьютерные алгоритмы, которые дают возможность хоть как-то прочитать геном одиночных бактерий, потому что до этого вообще нельзя было такое делать.

Разработки лаборатории – например, программа для сборки геномов SPAdes – находятся в свободном доступе. Любой ученый-биолог, который читает фрагменты ДНК из генома, в том числе если он это делает всего из одной клетки, может пользоваться нашими алгоритмами и материалами, чтобы на выходе получить собранный геном.

Но такие лаборатории, как наша, лишь первая ступень изучения генома. Ведь наука, как бы она ни была увлекательна сама по себе, должна иметь продолжение в практике. Уже сейчас в мире создаются центры лечения редких заболеваний, где все начинается с прочтения генома пациента. Пока это еще очень дорого, а специалистов, способных понять причину болезни по геному, очень мало.

Еще одно направление – попытка решить проблему антибиотиков. Дело в том, что у болезнетворных бактерий постепенно развивается устойчивость к ныне применяемым антибиотикам, а если антибиотиков не будет, медицина скатится к началу прошлого столетия. Поэтому сейчас усиленно ведется исследование генов до сих пор неизвестных бактерий, в частности живущих в экстремальных условиях.

Дальнейшие направления генетической науки будет определять фантазия ученых. Уже сейчас можно решать проблему загрязнения окружающей среды. Есть бактерии, которые имеют интересный ген – они могут перерабатывать нефть. Но эти бактерии совершенно не умеют жить там, где они должны питаться нефтью. Поэтому берут этот ген, вставляют его в менее прихотливые бактерии, например в обычную кишечную палочку, которая размножается где угодно, и после этого кишечная палочка послушно питается нефтью, а значит, в принципе способна уничтожать нефтяные пятна на поверхности рек, озер и морей.

Даже сами сегодняшние ученые еще не знают, какие возможности откроет завтра генная инженерия.